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1500米水头段多级能量回收透平水力模型方案的开发研究

李凤成  
【摘要】:能源是可以直接或通过转换提供人类所需的有用的资源。能源是国民经济发展的重要基础,也是人们生产和生活的重要物质基础保障。随着经济的发展,能源问题已成为了世界所关注的焦点。能量回收水力透平可以将工质流体中含有的机械能进一步回收利用,以降低能量的损耗,因此随着能量回收水力透平应用领域的增大,人们对其性能有了更高的要求。 近几年,计算流体动力学—CFD技术已日臻成熟,它在流体机械的模型开发研究和内部流场分析方面的应用越来越广泛。CFD数值模拟能够较准确地获得流体机械内部流场分布及各过流部件内部流动状态信息,为研究流体机械的性能提供了技术支撑,是成功设计出高性能流体机械模型和对现有流体机械进行优化的有效手段。 目前,能量回收水力透平的设计理论还不成熟。就工作原理而言,能量回收水力透平相当于超低比转速的水轮机,将工质流体中的能量转换为旋转的机械能。但相对于多级的能量回收水力透平机,它又与多级泵有相似之处。传统意义上,认为泵的反转就是能量回收水力透平机,但泵反转并不是完全符合能量回收水力透平机的流动状态和运行工况,因此性能比较差。为此,开发出性能优良的能量回收水力透平机,能更加充分、有效地回收能量资源,把潜在的资源优势转化成经济效益和社会效益,具有一定的学术价值和现实意义。 本课题针对1500m水头段的能量回收水力透平进行设计和优化,运用CFD流场仿真技术对能量回收水力透平机的内部流动进行探讨研究。计算以连续性方程、雷诺时均N-S方程作为其控制方程,采用标准k-ε双方程湍流模型使方程组封闭。流速、压力的求解采用SIMPLE算法实现,离散采用具有二阶精度的隐式格式差分。计算结果详细地显示出透平内全流道的流速和压力分布,验证了设计方法的科学性。最终开发出了一个性能比较优良的九级能量回收水力透平机的水力模型方案。 本文的主要研究内容和创造性成果如下: 1、依据已有的几何参数,将1500m水头段的能量回收水力透平机的级数分别确定为八级,九级和十级,运用一元理论设计方法,借鉴混流式水轮机和多级泵的设计理论,对相应级数的转轮和过流部件进行了水力设计计算。 2、借助Pro/E对已设计出的能量回收水力透平机的转轮和过流部件分别进行了三维实体造型;用ICEM和Gambit对实体造型划分非结构化网格,比较了ICEM和Gambit划分网格的优缺点,分析和解决了网格划分阶段易出现有洞和碎面的问题,提出了ICEM和Gambit结合画网格的方法。 3、对初始设计的水力模型方案进行数值模拟,通过分析数值模拟的结果对相关部件的几何尺寸做了改善。通过对不同级数的能量回收水力透平机的模拟结果的比较,提出了本水头段透平机最适合的级数是九级。 4、对九级能量回收水力透平机的大流量工况、设计工况、小流量工况进行了模拟分析,并研究了该透平回收效率与流量的关系,得到了各过流部件内部详细流动信息,结果表明设计工况压力、速度分布、性能最好。


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